UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM SANEAMENTO, MEIO AMBIENTE E RECURSOS HÍDRICOS

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS

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ECURSOS

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ESTUDO DA REMOÇÃO DOS GASES METANO E

SULFETO DE HIDROGÊNIO DISSOLVIDOS EM

EFLUENTES DE REATORES UASB TRATANDO

ESGOTO DOMÉSTICO

Roberto Meireles Glória

Belo Horizonte

Fevereiro de 2018

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ESTUDO DA REMOÇÃO DOS GASES METANO E

SULFETO DE HIDROGÊNIO DISSOLVIDOS EM

EFLUENTES DE REATORES UASB TRATANDO

ESGOTO DOMÉSTICO

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Roberto Meireles Glória

ESTUDO DA REMOÇÃO DOS GASES METANO E

SULFETO DE HIDROGÊNIO DISSOLVIDOS EM

EFLUENTES DE REATORES UASB TRATANDO

ESGOTO DOMÉSTICO

Tese apresentada ao Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da Universidade Federal de Minas Gerais, como requisito à obtenção do título de Doutor em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos. Área de concentração: Saneamento

Linha de pesquisa: Tratamento de Águas Residuárias Orientador: Prof. Claudio Leite de Souza

Coorientador: Prof. Carlos Augusto de Lemos Chernicharo

Belo Horizonte

Escola de Engenharia da UFMG 2018

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Glória, Roberto Meireles.

G562e Estudo da remoção dos gases metano e sulfeto de hidrogênio dissolvidos em efluentes de reatores UASB tratando esgoto doméstico [recurso eletrônico] / Roberto Meireles Glória. - 2018.

1 recurso online (169 f. : il., color.) : pdf. Orientador: Claudio Leite de Souza.

Coorientador: Carlos Augusto de Lemos Chernicharo.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Minas Gerais, Escola de Engenharia.

Anexos: f. 164-169.

Bibliografia: f. 155-163.

Exigências do sistema: Adobe Acrobat Reader.

1. Engenharia sanitária - Teses. 2. Saneamento - Teses.3. Esgotos domésticos - Teses. 4. Metano - Teses. 5Sulfetos - Teses. 6. Reator UASB - Teses. I. Souza, Claudio Leite de. II. Chernicharo, Carlos Augusto de Lemos. III. Universidade Federal de Minas Gerais. Escola de

Engenharia. IV. Título.

CDU: 628(043) Ficha catalográfica: Biblioteca Profº Mário Werneck, Escola de Engenharia da UFMG

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AGRADECIMENTOS

A Deus, por todos os milagres sobre minha vida. Agradeço a Fraternidade Branca Universal, governada pelos sete mestres ascencionados, entre eles, Jesus e Saint’Germain (Francisco de Assis). Agradeço à presença do meu mentor espiritual e aos anjos iluminados.

A minha família, pelo companheirismo e pela atenção. Da dicotomia Karma e Darma.

Ao meu orientador, professor Claudio Leite de Souza, e ao meu coorientador, professor Carlos Augusto de Lemos Chernicharo, que muito contribuíram para minha formação, humana, filosófica e científica.

Aos meus amigos presentes durante todo o percurso. Principalmente aos grandes amigos Nazir, Lucas, Bressani, Vassali e Débora. Agradeço ainda a todos os meus alunos, especialmente aqueles que contribuíram de alguma forma para construção deste trabalho: Andressa, Nayara, Paloma, Enya, Mabi e Nícolas.

A todos os demais servidores do Departamento de Engenharia Sanitária da Universidade Federal de Minas Gerais (DESA-UFMG), especialmente aos professores Marcos, Marcelo, Eduardo, Miriam, Camila, Sonaly, Léo, Lizete, Nilo e César.

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RESUMO

Um dos problemas associados ao tratamento anaeróbio de esgoto doméstico relaciona-se com a presença de gases dissolvidos, sulfeto de hidrogênio e metano, no efluente dos reatores anaeróbios, que podem potencialmente ser emitidos para a atmosfera. O escape desses gases pode ocasionar problemas de maus odores e contribuir para o efeito estufa. O objetivo desta pesquisa foi investigar técnicas alternativas para minimizar as desvantagens da tecnologia anaeróbia, como: stripping no interior do compartimento sedimentação, câmara de dessorção instalada imediatamente após a saída do efluente do reator, microaeração e recirculação de biogás com microaeração. Foram utilizados dois reatores do tipo UASB, um em escala de demonstração e outro em escala-piloto, instalados no Centro de Pesquisa e Treinamento em Saneamento UFMG/COPASA (CePTS). Os resultados obtidos com a técnica de stripping mostraram baixa eficiência de remoção de metano, cerca de 30%, e remoção na faixa de 40 a 60% de sulfeto de hidrogênio, indicando a necessidade de aprofundamento de estudos e melhor entendimento teórico dos mecanismos de remoção que poderiam levar à melhoria da técnica. Por outro lado, as eficiências de remoção obtidas com a técnica de câmara de dessorção foram muito mais elevadas, à depender da condição operacional, atingindo 60% ou mais para ambos os compostos dissolvidos, metano e sulfeto, nas condições mais eficazes. Para a melhor condição operacional testada, foram observadas eficiências de remoção, em termos de mediana, de 73 e 97% para o metano e o sulfeto dissolvidos, respectivamente, o que evidencia que a técnica de câmara de dessorção tem grande potencial de ser utilizada em maior escala. Já a técnica de microaeração e microaeração com recirculação não apresentaram efetividade na remoção da fase líquida, para o sulfeto e o metano dissolvidos, paras as condições de 30 e 40 ml/min para microaeração e de 30 e 70 ml/min para microaeração com recirculação de biogás . Entretanto, ela demonstrou ser promissora em termos de melhoria da qualidade do biogás formado no reator UASB, com foco no aproveitamento energético.

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ABSTRACT

One of the problems associated with anaerobic domestic sewage treatment relates to the presence of dissolved gases, hydrogen sulphide and methane in the effluent from anaerobic reactors, which can potentially be emitted into the atmosphere. The escape of these gases can cause problems of bad odors and contribute to the greenhouse effect. The objective of this research was to investigate alternative techniques to minimize the disadvantages of anaerobic technology, by using techniques such as: stripping inside the sedimentation compartment, desorption chamber installed immediately after the reactor effluent exit, microaeration and biogas recirculation with microaeration. Two UASB-type reactors, one on a demonstration scale and another on a pilot scale, were installed at the UFMG/COPASA Sanitation Research and Training Center (CePTS). The results obtained with the stripping technique showed low methane removal efficiency, about 30%, and removal in the range of 40 to 60% of hydrogen sulphide, indicating the need for further studies and a better theoretical understanding of the removal mechanisms which could lead to improved technique. On the other hand, the removal efficiencies obtained with the desorption chamber technique were much higher, depending on the operating condition, reaching 60% or more for both dissolved compounds, methane and sulfide under the most efficient conditions. For the best tested operational condition, removal efficiencies of 73 and 97% for methane and sulfide were observed, respectively, which shows that the desorption chamber technique has great potential to be used in larger scale. The technique of microaeration and microaeration with recirculation did not have an effect on the removal of the liquid phase, for the dissolved sulfide and methane, for the conditions of 30 and 40 ml/min for microaeration and 30 and 70 ml/min for microaeration with recirculation of biogas. However, it has been shown to be promising in terms of improving the quality of biogas formed in the UASB reactor, with a focus on energy utilization.

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ... 14

2 REVISÃO DA LITERATURA ... 17

2.1 Reatores UASB ... 17

2.1.1 Funcionamento ... 17

2.1.2 Formação de metano e sulfeto em reatores anaeróbios e seus desdobramentos ... 18

2.1.3 Problemas e limitações ... 20

2.1.4 Emissões gasosas: metano e sulfeto de hidrogênio e suas características ... 24

2.1.5 Controle de emissões de H2S e CH4 em ETEs ... 25

2.2 Aspectos teóricos de emissões gasosas ... 32

2.2.1 Lei de Henry ... 32

2.2.2 Propriedades do metano e sulfeto de hidrogênio ... 33

2.2.3 Difusão ... 34

2.2.4 Transferência de massa entre fases líquida e gasosa ... 35

2.2.5 Dessorção de gases e balanço de massa ... 40

2.3 Técnicas para dessorção e remoção de gases da fase líquida ... 44

2.3.1 Operações físicas (dessorção) ... 44

2.3.2 Remoção de sulfeto por processos químicos e biológicos ... 53

2.4 A câmara de dessorção (CD) – conceito e pesquisas antecedentes... 62

3 PREMISSAS, HIPÓTESES E OBJETIVOS DA INVESTIGAÇÃO ... 66

3.1 Premissas ... 66 3.2 Hipóteses ... 67 3.3 Objetivos ... 68 3.3.1 Objetivo geral ... 68 3.3.2 Objetivos específicos ... 68 4 MATERIAL E MÉTODOS ... 69 4.1 Área de estudo... 69

4.2 Aparato experimental geral ... 69

4.2.1 Delineamento esquemático geral. ... 70

4.3 Avaliação da técnica de stripping com ar no decantador do reator UASB ... 72

4.4 Avaliação da técnica de microaeração para remoção de gases dissolvidos e H2S em biogás ... 73

4.4.1 Fundamentação estequiométrica ... 73

4.4.2 Microaeração simples, condições preliminares ... 74

4.4.3 Microaeração com incremento de recirculação de biogás ... 75

4.4.4 Representações esquemáticas relativas ao objetivo específico de microaeração e detalhamentos gerais de rotina ... 75

4.5 Avaliação da técnica de câmara de dessorção (CD) para remoção de gases dissolvidos ... 77

4.6 Análises laboratoriais ... 83

5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 86

5.1 Aplicação de stripping com ar no decantador de reatores UASB para o controle de gases dissolvidos ... 86

5.1.1 Metano... 86

5.1.2 Sulfeto de Hidrogênio ... 89

5.1.3 Resultados complementares durante a operação do reator UASB, em termos de DQO, temperatura, OD, Ssed, pH e sulfato. ... 91

5.2 Microaeração como técnica para remoção de gases dissolvidos e H2S em biogás ... 94

5.2.1 Resultados preliminares e exploratórios – microaeração em manta de lodo ... 94

5.2.2 Microaeração com incremento de recirculação de biogás ... 97

5.3 Utilização de câmara de dessorção (CD) com foco na remoção de gases dissolvidos em efluente de reatores UASB. ... 109

5.3.1 Condição B: baixa Carga Hidráulica Superficial, posição da CD junto à base do reator . 109 5.3.2 Condição C: baixa Carga Hidráulica Superficial, posição da CD próxima ao topo do reator 117 5.3.3 Condição D: alta Carga Hidráulica Superficial, posição da CD próxima ao topo do reator .. 132

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5.3.5 Continuidade das verificações de desempenho em alta CHS ... 148 6 CONCLUSÕES ... 152 7 RECOMENDAÇÕES ... 154 8 REFERÊNCIAS ... 155 9 APÊNDICE ... 164 10 APÊNDICE A ... 165

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LISTA DE FIGURAS

Figura 2-1: Configuração geral de uma estação de tratamento de esgotos utilizando reatores

UASB. ... 21

Figura 2-2: Tópicos de interesse para possíveis melhorias em ETEs que empregam reatores UASB. ... 22

Figura 2-3: Tecnologias para oxidação química e biológica para controle da emissão de H2S. ... 27

Figura 2-4: a) Gradiente de concentração e b) situação de equilíbrio. ... 36

Figura 25: Esquema para detalhamento de balanço de massa em unidades de separação gás -líquido. ... 42

Figura 2-6: Diagrama de linha de operação para unidade de separação gás-líquido. ... 44

Figura 2-7: Esquema ilustrativo de tanque de coluna de bolhas. ... 47

Figura 2-8: Esquema para dessorção/oxidação de compostos de interesse. ... 48

Figura 2-9: Esquema ilustrativo de torres de empacotadas. ... 49

Figura 2-10: Esquema ilustrativo de torres de pratos. ... 51

Figura 2-11: Esquema ilustrativo de torres spray. ... 52

Figura 2-12: Terminologia para a dosagem de ar/oxigênio em relação à quantidade de oxigênio dosado. ... 60

Figura 2-13: Mecanismos de transferências de massa em estruturas de queda, como em CD. ... 64

Figura 4-1: Reatores UASB utilizados na presente pesquisa. Esquerda: reatores UASB-piloto e direita: reator UASB demonstração. ... 70

Figura 4-2: Desenho esquemático das técnicas relativas aos objetivos específicos estudados. ... 71

Figura 4-3: Esquema do aparato da técnica de difusão de ar (stripping) com identificação dos pontos de amostragem das fases líquida e gasosa. ... 72

Figura 4-4: Esquema ilustrativo da adaptação do reator UASB para microaeração aplicada na manta de lodo. ... 76

Figura 4-5 Aparato experimental: CD e Reator UASB demonstração. ... 77

Figura 4-6: Desenho esquemático da CD utilizada nos experimentos. ... 78

Figura 4-7: Pontos de amostragem para técnica de CD. ... 79

Figura 5-1: Resultados obtidos para a unidade de stripping: concentrações de metano dissolvido antes e após dispositivo de stripping. ... 86

Figura 5-2: Eficiência de remoção de metano dissolvido obtido por meio da técnica de stripping. ... 87

Figura 5-3: Concentração de metano no gás residual após aplicação da técnica de stripping. ... 88

Figura 5-4: Resultados obtidos para concentrações de sulfeto dissolvido antes e após aplicação aparato de stripping. ... 89

Figura 5-5: Eficiência de remoção de sulfetos dissolvidos para a técnica stripping. ... 90

Figura 5-6: Concentração de H2S no gás residual após aplicação da técnica de stripping. ... 91

Figura 5-7: a) Concentrações de sulfeto de hidrogênio, em biogás, para as fases operacionais 1 (N = 10), 2 (N = 30) e 3 (N = 10); e b) constituição do biogás, para fase operacional 3 (N = 10). ... 95

Figura 5-8: a) Concentrações de sulfetos dissolvidos no efluente para as fases operacionais 1 (N = 10), 2 (N = 10) e 3 (N=35); e b) concentração de metano dissolvido no efluente para as fases operacionais 1 (N = 10), 2 (N = 10) e 3 (N = 35). ... 97

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Figura 5-9: Composição de biogás gerado na condição anaeróbia de operação do reator UASB

(fase 1). ... 98

Figura 5-10: Composição de biogás gerado na condição microaerada, sem recirculação de biogás, fase 2... 100

Figura 5-11: Composição de biogás gerado na condição microaerada, com recirculação de biogás, fase 3... 101

Figura 5-12: Composição de biogás gerado na condição microaerada, com recirculação de biogás, fase 4... 102

Figura 5-13: Composição de biogás gerado, em termos de H2S, nas condições operacionais estudadas. ... 103

Figura 5-14: Metano dissolvido no efluente do reator UASB nas diversas fases operacionais avaliadas. ... 104

Figura 5-15: Sulfetos dissolvidos no efluente do reator UASB nas diversas fases operacionais avaliadas. ... 105

Figura 5-16: Sulfato no efluente do reator UASB nas diversas fases operacionais avaliadas. ... 106

Figura 5-17: Resultados para concentrações de metano dissolvido antes e após utilização da técnica CD. ... 109

Figura 5-18: Resultados obtidos para a técnica de CD: eficiências de remoção de metano. ... 110

Figura 5-19: Concentração de metano no gás residual ao utilizar técnica de CD. ... 111

Figura 5-20: Balanço de massa localizado, para metano. ... 112

Figura 5-21: Resultados obtidos para a técnica CD: concentrações de sulfetos dissolvidos antes e após. ... 112

Figura 5-22: Resultados obtidos para a técnica de CD: eficiências de remoção de sulfetos. ... 113

Figura 5-23: Concentração do gás residual em termos de H2S, para a técnica de CD. ... 114

Figura 5-24: Balanço de massa localizado, para enxofre. ... 115

Figura 5-25: Concentrações de metano dissolvido antes e após passagem pela câmara de dessorção nas diversas fases operacionais. ... 118

Figura 5-26- Eficiência de remoção de metano dissolvido nas diferentes fases operacionais. ... 120

Figura 5-27- Metano no gás residual desprendido nas diversas fases operacionais. ... 121

Figura 5-28: Balanço de massa localizado, em termos de metano. ... 122

Figura 5-29: Concentrações de sulfeto dissolvido antes e após passagem pela câmara de dessorção, nas diversas fases operacionais. ... 123

Figura 5-30: Eficiência de remoção de sulfeto nas diferentes fases operacionais... 125

Figura 5-31: Concentração de sulfato antes e após passagem pela câmara de desprendimento e remoção nas diversas fases operacionais. ... 126

Figura 5-32: Sulfeto de hidrogênio no gás residual nas diversas fases operacionais. ... 127

Figura 5-33: Balanço de massa em termos de enxofre. ... 128

Figura 5-34: Eficiência de remoção de metano dissolvido na fase líquida. ... 134

Figura 5-35: Concentração de metano no gás residual das fases testadas. ... 134

Figura 5-36: Balanço de massa em termos de metano. ... 136

Figura 5-37: Eficiência de remoção de sulfetos da fase líquida. ... 138

Figura 5-38: Concentração de gases residuais, em termos de sulfeto de hidrogênio, para as fases testadas. ... 139

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Figura 5-40: Concentração de metano no meio líquido, antes e após processo de remoção por meio da técnica de CD. ... 142

Figura 5-41: Eficiência de remoção de metano. ... 143

Figura 5-42: Concentração de metano no gás residual. ... 144

Figura 5-43: Balanço de massa em termos de metano. ... 144

Figura 5-44: Concentrações de sulfetos dissolvidos, afluente e efluente à câmara de dessorção. ... 145

Figura 5-45: Eficiências de remoção de sulfetos dissolvidos. ... 146

Figura 5-46: Concentração de sulfeto de hidrogênio em gás residual gerado. ... 147

Figura 5-48: Eficiência de remoção de metano. ... 149

Figura 5-49: Concentração de metano no gás residual. ... 150

Figura 5-50: Eficiência de remoção de sulfetos. ... 150

Figura 5-51: Concentração de H2S no gás residual. ... 151

Figura 10-1: Teste estatístico do tipo Kruskal-Wallis para resultados de eficiência de remoção de sulfetos, para condição de alta taxa e topo do reator-piloto. ... 165

Figura 10-2: Teste estatístico do tipo Kruskal-Wallis para resultados de eficiência de remoção de metano, para condição de alta taxa e topo do reator-piloto. ... 165

Figura 10-3: Teste estatístico do tipo Kruskal-Wallis para resultados de eficiência de remoção de sulfetos, para condição de baixa taxa e topo do reator-piloto. ... 166

Figura 10-4: Teste estatístico do tipo Kruskal-Wallis para resultados de eficiência de remoção de metano, para condição de baixa taxa e topo do reator-piloto. ... 166

Figura 10-5: Teste estatístico do tipo Mann-Whitney para resultados de remoção de metano, para condição de alta taxa e topo de reator-piloto (comparativo com stripping). ... 167

Figura 10-6: Teste estatístico do tipo Mann-Whitney para resultados de remoção de sulfetos, para condição de alta taxa e topo de reator-piloto (comparativo com stripping). ... 167

Figura 10-7: Teste estatístico do tipo Kruskal-Wallis para resultados de comparação entre concentrações de H2S em biogás gerado. ... 168

Figura 10-8: Teste estatístico do tipo Kruskal-Wallis para resultados de eficiência de remoção de metano dissolvido, para condição de microaeração. ... 168

Figura 10-9: Teste estatístico do tipo Kruskal-Wallis para resultados de eficiência de remoção de sulfetos dissolvidos, para condição de microaeração. ... 169

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LISTA DE TABELAS

Tabela 2-1: Efeitos da formação de sulfetos em reatores anaeróbios. ... 19

Tabela 2-2: Vantagens e desvantagens da utilização dos sistemas de tratamento anaeróbio de alta taxa em relação a processos aeróbios. ... 21

Tabela 2-3: Principais alternativas para o controle do H2S em ETEs ... 26

Tabela 2-4: Valores das constantes da Lei de Henry para o CH4 e o H2S. ... 34

Tabela 2-5: Aplicações de transferência de massa ar/água no tratamento de águas de abastecimento e águas residuárias ... 44

Tabela 2-6: Características de sistemas de contato gás-líquido. ... 45

Tabela 4-1: Principais características dos reatores UASB-piloto e de demonstração. ... 70

Tabela 4-2: Fases operacionais da técnica de difusão de ar (stripping). ... 72

Tabela 4-3: Especificações gerais da rotina de coleta e análises para técnica de stripping. ... 73

Tabela 4-4: Condições operacionais da etapa de microaeração simples. ... 74

Tabela 4-5: Condições operacionais da etapa de microaeração com recirculaçã de biogás . ... 75

Tabela 4-6: Especificações gerais da rotina de coleta e análises para técnica de microaeração. ... 76

Tabela 4-7: Características das CD utilizadas nos experimentos ... 78

Tabela 4-8: Especificações gerais da rotina de coleta e análises para técnica CDR. ... 79

Tabela 4-9: Especificações de métodos utilizados na pesquisa. ... 79

Tabela 4-10: Fases operacionais da CD em escala-piloto, com operação na base do reator UASB, condição B. ... 80

Tabela 4-11: Fases operacionais da CD em escala-piloto, com operação no topo do reator UASB e com CHS baixa, condição C. ... 81

Tabela 4-12: Fases operacionais da CD em escala-piloto, com operação no topo do reator UASB escala de demonstração e com CHS alta, condição D. ... 81

Tabela 4-13: Fases operacionais da CD em escala-piloto, com operação no topo do reator UASB escala de demonstração e com CHS baixa. ... 82

Tabela 4-14: Fases operacionais da CD em escala-piloto, com operação no topo do reator UASB – taxa média (com stripping x sem stripping). ... 82

Tabela 5-1: Estatística básica para eficiência de remoção de metano dissolvido (%). ... 88

Tabela 5-2: Estatística básica para concentração de metano no gás residual (%). ... 89

Tabela 5-3: Estatística descritiva básica para dados de eficiência de remoção de sulfetos dissolvidos. (%). ... 90

Tabela 5-4: Estatística básica para dados de concentração de H2S no gás residual (ppm). ... 91

Tabela 5-5: Estatística descritiva básica para dados de sólidos sedimentáveis (mL/L). ... 92

Tabela 5-6: Estatística descritiva básica para dados de oxigênio dissolvido (mg/L). ... 92

Tabela 5-7: Estatística descritiva básica para dados de pH. ... 92

Tabela 5-8: Estatística descritiva básica para dados de temperatura (ºC). ... 93

Tabela 5-9: Estatística descritiva básica para dados de sulfato (mg/L). ... 93

Tabela 5-10: Estatística descritiva básica para dados de DQO (mg/L). ... 93

Tabela 5-11: Síntese de resultados, em termos de medianas, para produção de biogás e concentração de seus constituintes. ... 95

(15)

Tabela 5-12: Síntese condições operacionais e resultados obtidos com a técnica de microaeração e

recirculação de biogás. ... 98

Tabela 5-13: Estatística descritiva para composição do biogás gerado na condição anaeróbia do reator - fase 1. Dados em porcentagem, exceto H2S que se encontra em ppm. ... 99

Tabela 5-14: Estatística descritiva para composição do biogás na condição microaerada, sem recirculação de biogás - fase 2. Dados em porcentagem, exceto H2S que se encontra em ppm. ... 100

Tabela 5-15: Estatística descritiva para composição do biogás na condição microaerada, com recirculação de biogás - fase 3. Dados em porcentagem, exceto H2S que se encontra em ppm. ... 101

Tabela 5-16: Estatística descritiva para composição do biogás na condição microaerada, com recirculação de biogás - fase 4. Dados em porcentagem, exceto H2S que se encontra em ppm. ... 102

Tabela 5-17: Estatística descritiva para parâmetro metano dissolvido, em mg.l-1_{. ... 104}

Tabela 5-18: Estatística descritiva para parâmetro sulfetos dissolvidos, em mg.l-1_{... 106}

Tabela 5-19: Estatística descritiva para parâmetro sulfato, em mg.l-1_{... 106}

Tabela 5-20: Parâmetros adicionais monitorados a partir do esgoto bruto. ... 107

Tabela 5-21: Parâmetros adicionais monitorados a partir do efluente do UASB para fase 1. ... 107

Tabela 5-25: Concentração, em termos de DQO, para as diversas fases operacionais. ... 108

Tabela 5-26: Fases operacionais da CD em escala-piloto, com operação na base do reator UASB. .. 109

Tabela 5-27: Estatística descritiva das eficiências de remoção de metano dissolvido. ... 111

Tabela 5-28: Estatística descritiva das concentrações de metano no gás residual (%v). ... 111

Tabela 5-29: Estatística descritiva, em termos de eficiência de remoção, parâmetro sulfetos dissolvidos (%). ... 114

Tabela 5-30: Concentração de sulfeto de hidrogênio em gás residual gerado (ppm). ... 114

Tabela 5-31: Resultados complementares de DQO para fase 1, em mg.l-1_{. ... 116}

Tabela 5-32: Resultados complementares de DQO para fase 2. ... 116

Tabela 5-35: Resultados complementares, em termos de pH, temperatura e oxigênio dissolvido. .... 117

Tabela 5-36: Fases operacionais da CD em escala-piloto, com operação no topo do reator UASB e com CHS baixa. ... 117

Tabela 5-37: Estatística básica para os dados de eficiência (%) de remoção de metano dissolvido em relação às fases estudadas. ... 120

Tabela 5-38: Dados de estatística descritiva para metano no gás residual unidade???. ... 121

Tabela 5-39: Estatística básica para os dados de eficiência de remoção de sulfetos dissolvidos em relação às fases estudadas. ... 125

Tabela 5-40: Dados de estatística descritiva para sulfato, em mg/L. ... 126

Tabela 5-41: Dados de estatística descritiva para H2S, em ppm, no gás residual. ... 127

(16)

Tabela 5-43: Resultados complementares DQO, em mg/L, para Fase 2. ... 128

Tabela 5-47: Estatística descritiva básica para resultados complementares fase 1. ... 130

Tabela 5-52: Fases operacionais da CD em escala-piloto, com operação no topo do reator UASB – taxa alta ... 132

Tabela 5-53: Estatística descritiva para parâmetro eficiência de metano dissolvido (%). ... 133

Tabela 5-54: Estatística descritiva para parâmetro metano em gás residual. ... 135

Tabela 5-55: Estatística descritiva para dados de remoção de sulfetos dissolvidos. ... 138

Tabela 5-56: Estatística descritiva para parâmetro H2S em gás residual. ... 139

Tabela 5-57: Análises complementares realizadas durante a fase D2, com operação no topo do reator UASB – taxa alta. ... 141

Tabela 5-60: Fases operacionais da CD em escala-piloto, com operação no topo do reator UASB – taxa baixa. ... 142

Tabela 5-61: Estatística descritiva para parâmetro metano dissolvido. ... 143

Tabela 5-63: Estatística descritiva para parâmetro sulfetos dissolvidos. ... 146

Tabela 5-64: Estatística descritiva para parâmetro H2S em gás residual. ... 147

Tabela 5-65: Fases operacionais da CD em escala-piloto, com operação no topo do reator UASB – taxa média (com stripping x sem stripping). ... 148

Tabela 5-66: Estatística descritiva para parâmetro metano dissolvido. ... 149

Tabela 5-68: Estatística descritiva para parâmetro sulfetos dissolvidos. ... 151

(17)

LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS

Atm Atmosfera (unidade de medida de pressão)

ACV Análise de Ciclo de Vida

BRS Bactérias redutoras de sulfato

CD Câmara de dessorção

CePTS Centro de Pesquisa e Treinamento em Saneamento

Ceq Concentração de equilíbrio

CA Concentração de composto no líquido

CG Concentração de composto no gás

CHS Carga hidráulica superficial

CHV Carga hidráulica volumétrica

CH4 Metano

CO Monóxido de carbono

COT Carga orgânica total

COV Carga orgânica volumétrica

CO2 Dióxido de carbono

ºC Graus Celsius (unidade de medida de temperatura)

D Dia (unidade de medida de tempo)

 Diâmetro

DBO Demanda bioquímica de oxigênio

DESA Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental

DQO Demanda química de oxigênio

E Eficiência

EPA Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (sigla em inglês,

United States Environmental Protection Agency)

ETE Estação de tratamento de esgoto

Fe Ferro

FUNASA Fundação Nacional da Saúde

G Grama (unidade de medida de massa)

g Aceleração da gravidade

h Hora (unidade de medida de tempo)

H Altura ou desnível

HS- _{Íon sulfeto de hidrogênio}

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H’ Altura de coluna de líquido

H* Altura de empacotamento (preenchimento)

H2 Gás hidrogênio

H2O Água

H2S Sulfeto de hidrogênio

kg Quilograma (unidade de medida de massa)

KG Coeficiente de transferência parcial de massa para a fase gasosa KH Constante da lei de Henry em termos de pressão parcial

KH’ Constante da lei de Henry em termos de fração molar

kL Coeficiente de transferência parcial de massa para a fase líquida KL Coeficiente de transferência global de massa

L Litro (unidade de medida de volume)

LIE Limite inferior de explosão

LSE Limite superior de explosão

m Metro (unidade de medida de distância)

M Peso molecular

máx. Máximo

Mg Miligrama (unidade de medida de massa)

Min Minuto (unidade de medida de tempo)

Mn Manganês

Mol Mol (unidade de medida de quantidade de matéria)

MW Megawhatt (unidade de medida de potência)

m2 _{Metro quadrado (unidade de medida de área)}

m³ Metro cúbico (unidade de medida de volume)

N Número de renovações da atmosfera da câmara

NA Número de Avogadro N Número de amostras N2 Gás nitrogênio OD Oxigênio dissolvido O2 Gás oxigênio P Pressão total Pg Pressão parcial de gás pH Potencial hidrogeniônico

pKa Constante de acidez

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PROSAB Programa de Pesquisas em Saneamento Básico PVC Policloreto de vinila (material de plástico)

Q Vazão de líquido

Qg Vazão de gás

rQ Relação de vazões ar/líquido

R Constante universal dos gases perfeitos

ReNTED Rede Nacional de Tratamento de Esgotos Descentralizados

Rv Taxa de transferência de massa

S Concentração na fase líquida

Sg Concentração na fase gasosa

SO42- Íon de sulfato

SS Sólidos suspensos

SSed Sólidos sedimentáveis

S2O3 Tiossulfato

S0 _{Enxofre elementar}

S2- _{Íon de enxofre}

tc Tempo de contato ar/líquido

T Temperatura

TDH Tempo de detenção hidráulica

UASB Reator anaeróbio de fluxo ascendente e manta de lodo (sigla em inglês,

Upflow Anaerobic Sludge Blanker)

UFMG Universidade Federal de Minas Gerais

V Volume

Va Velocidade ascensional

Xa Fração molar de um composto

Yb Concentração de gás soluto no ar

∆ Delta (símbolo de diferença linear entre duas variáveis) ∆H Diferença de altura (altura do módulo da câmara) ∆Hºdiss Entalpia-padrão de dissociação de um composto δ Espessura de filme em teoria de transferência de massa

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Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG 14

1 INTRODUÇÃO

Água e energia são dois recursos que apresentam complexa interconexão e interdependência. A água é utilizada em vários estágios do processo de geração de energia, enquanto a energia é utilizada na coleta e no tratamento da água e dos esgotos sanitários (ENERGY, 2014). O Conselho de Inteligência Nacional dos Estados Unidos prevê o aumento de 40% da demanda por água e de 50% de aumento da demanda de energia, até 2030 (nos Estados Unidos), o que evidencia a necessidade de mudanças de paradigma em relação à energia nos processos de tratamento de esgotos (BURROWS, 2012). A incorporação de tecnologias que consigam recuperar tanto a água quanto a energia seria muito interessante quando se considerar esse cenário previsto para os próximos anos.

Nesse sentido, é importante destacar o aumento da utilização dos reatores anaeróbios para tratamento de esgoto doméstico, por serem sistemas com base na rota natural de mineralização que, com o tempo, poderão se impor como solução de desenvolvimento sustentável, na medida em que esse conceito aponta para a autossuficiência e/ou economia de recursos, como água e energia (LETINGA, 2005).

Nesses reatores anaeróbios, notadamente em reatores Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB), ocorrem duas rotas predominantes na decomposição da matéria orgânica: a metanogênese e a sulfetogênese. O biogás produzido apresenta, em geral, altas concentrações de metano (CH4), nitrogênio (N2) e gás carbônico (CO2), além de níveis bem menores de outros gases, especialmente o sulfeto de hidrogênio (H2S) e amônia (NH3) (Gallert and Winter, 2005).

Todos os constituintes gasosos, em maior ou menor grau, podem estar solubilizados no líqui-do, o que dificulta sua captura normal e sua condução para o destino adequado. Partindo-se de um gerenciamento ideal do biogás direcionado para o coletor de gases do reator UASB, o que pressupõe tratamento devido e disposição adequada, os problemas a resolver seriam os relacionados com o metano e o sulfeto de hidrogênio dissolvidos no efluente da unidade. A emissão desses gases, que permanecem dissolvidos no efluente, para a atmosfera imediata-mente ao redor da ETE é um ponto de grande preocupação. O metano, que é um gás de efeito estufa, pode ser muito prejudicial quando lançado para a atmosfera, sobretudo na perspectiva das mudanças que estão ocorrendo com o clima, com possíveis efeitos negativos provocados em médio e longo prazos ao meio ambiente. Estudos recentes do IPCC apontam que o

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Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG 15 potencial de contribuição do metano para o aquecimento global, em um horizonte de 100 anos, aumentou de 25 (IPCC, 2007) para 34 vezes em relação ao gás carbônico e que as emissões de metano têm potencial de impacto ambiental maior do que todos os halocarbonos juntos (FLATO et al., 2013). Os gases de efeito estufa, notadamente o metano, de origem antropogênica, são produzidos por processos industriais e biológicos. No entanto, enquanto as emissões industriais estão muito bem documentadas, o conhecimento a respeito das taxas de produção de gases estufa oriundos de processos biológicos e dos fatores reguladores de suas emissões ainda é incipiente (ROSWALL, 1991, apud ROSWALL et al., 1989). Contudo, o metano pode ser aproveitado como combustível em propósitos energéticos, quando da possibilidade de sua recuperação.

Em uma ETE, a recuperação do metano e sua reutilização pode conferir, ao se pensar na ETE como uma indústria, um caráter de sustentabilidade, dentro do conceito de ciclo de vida de produtos e processos. Entretanto é usual em ETE’s a queima de biogás gerado em forma de CH4, CO2, NH3 e H2S, essencialmente. A amônia na fase líquida comporta-se como base, originando um íon amônio, NH4+, não se fazendo repercutir com intensidade no biogás. Porém a queima de biogás poderá gerar NOx, SOx, que contribuem para chuva ácida, além de serem gases tóxicos e irritantes ao sistema respiratório.

Já o sulfeto, apesar de se apresentar em concentrações baixas, se comparado, por exemplo, com o metano, ainda assim sua presença no biogás é relevante do ponto de vista operacional na estação de tratamento de esgotos (ETE), porque pode causar problemas como corrosão nas estruturas de concreto e metal, toxicidade e maus odores, que se manifestam rapidamente aos sentidos do homem, uma vez que esse gás possui cheiro característico de ovo podre e apresenta baixo limite de detecção pelo olfato humano. Ele pode também causar incômodo às populações vizinhas à ETE, aos operadores e aos visitantes, devido ao seu odor desagradável, e sua inalação pode desencadear, em casos de exposição prolongada, sérios problemas à saúde humana (SÁ et al., 2005). Casos de graves maus odores em estações em escala plena vêm sendo reportados na literatura (MACEDO et al., 2013; MACHADO et al., 2016).

Segundo Souza (2010), as perdas de metano (dissolvido no efluente dos reatores UASB) situam-se próximo de 17 a 22 mg/L . Estes valores representariam uma DQO no efluente de 70 a 90 mg/L. Porém, como descrito por Hartley e Lant (2006), o metano dissolvido não é acusado nos procedimentos convencionais de teste da DQO. Desta forma, a agitação natural

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Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG 16 que ocorre quando esses efluentes deixam os reatores UASB pode se transformar em problema operacional efetivo, desencadeando os problemas ambientais supracitados.

Adicionalmente, as perdas com o metano dissolvido significam redução do potencial total de energia possível de ser explorada. Neste sentido, uma concentração mais elevada de metano dissolvido no efluente do reator resulta em diminuição da quantidade de CH4 na fase gasosa mais prontamente aproveitável, que é o biogás normalmente recuperado dentro do separador trifásico. Esse parâmetro é relevante no gerenciamento do reator quando o CH4 é destinado à utilização como fonte de energia (GIMÉNEZ, 2012). É importante salientar que 35 a 40% do total de metano produzido no reator UASB escapa de forma dissolvida no efluente (SOUZA, 2010).

Como possíveis soluções para esses problemas, Souza (2010) salienta que o ideal seria utilizar uma unidade ou um processo para remover, de forma controlada, os gases dissolvidos e, eventualmente, capturar os gases residuais para posterior tratamento, de modo a prevenir as graduais e descontroladas emissões nas superfícies líquidas expostas a partir das estruturas hidráulicas de coleta e transporte do efluente, ou mesmo na unidade aeróbia de pós-trata-mento.

Nos últimos anos, vêm sendo estudadas técnicas para remoção de gases dissolvidos no efluen-te de reatores anaeróbios, notadamenefluen-te o metano e o sulfeto de hidrogênio (MATSUURA et al., 2010; SOUZA, 2010; BANDARA et al., 2011, 2012; KRAYZELOVA et al., 2014; MATSUURA et al., 2015).

Tem-se buscado investigar de forma mais aprofundada as possibilidades de aprimoramento do reator UASB no contexto da gestão dos gases gerados nos processos anaeróbios, assim sendo, o melhor entendimento técnico do gerenciamento dos efluentes de reatores anaeróbios, em especial, em se tratando da fase líquida e de uma possível fase gasosa formada a partir do uso de técnicas empregadas para remoção dos gases dissolvidos, torna-se premente e relevante. As principais temáticas desta pesquisa são o aprofundamento no entendimento dos mecanismos que governam as remoções de gases dissolvidos em efluentes de reatores anaeróbios e a busca de opções de controle de emissões gasosas em sistemas de tratamento de esgoto que empregam reatores UASB, especificamente de metano (gás de efeito estufa) e sulfeto de hidrogênio (mau odorante). Para esse controle, buscam-se soluções simplificadas, que resultem em baixos custos e simplicidade de implantação e operação.

(23)

2 REVISÃO DA LITERATURA

2.1 Reatores UASB

2.1.1 Funcionamento

2.1.1.1 Fundamentos da digestão anaeróbia

Os principais processos metabólicos que ocorrem na oxidação da matéria orgânica, em reato-res anaeróbios, por exemplo, seriam a reato-respiração e a fermentação. A fermentação ocorre sem a presença de um aceptor final de elétrons, enquanto na respiração há a utilização de aceptores como o sulfato (formação de sulfetos), o nitrato (formação de nitrogênio) e o CO2 (formação de metano). A formação de metano ocorre preferencialmente quando não houver a presença dos demais aceptores de elétrons (CHERNICHARO, 2007).

O ecossistema anaeróbico é resultado de uma complexa interação entre microrganismos de diversas espécies diferentes. Os maiores grupos de bactérias e as reações que elas fazem mediação são: (i) bactérias fermentativas; (ii) bactérias acetogênicas produtoras de hidrogênio; (iii) bactérias acetogênicas consumidoras de hidrogênio; (iv) metanogênicas redutoras de dióxido de carbono (hidrogenotróficas); e (v) metanogênicas acetoclásticas (von LIER et al., 2008). Segundo Gallert e Winter (2005), a metanogênese acontece, preferencialmente e efetivamente, a baixa pressão parcial de H2 no meio. O mesmo autor enfatiza que o consórcio entre metanogênicas hidrogenotróficas e bactérias acetoclásticas é facilitado pela rearanjamento em biofilmes ou grânulos, com otimização da difusão para utilização dos substratos.

Desta maneira, no processo de digestão anaeróbia de compostos orgânicos existe um consórcio entre os microrganismos supracitados: acidogênicos, acetogênicos, sulfetogênicos e metanogênicos. O equilíbrio desse consórcio é delicado e pode ser monitorado pela avaliação de ácidos orgânicos como propionato, butirato, valerato e acetato, por meio da análise de AGV (ácidos graxos voláteis), uma vez que eles são os principais subprodutos utilizados pelos microrganismos na digestão anaeróbia (CHERNICHARO, 2007).

2.1.1.2 Funcionamento geral de Reatores UASB

O funcionamento dos reatores do tipo UASB (Upflow Anaerobic Sludg Blanket) é baseado nos processos de digestão anaeróbia. Esse reator é operado com fluxo ascendente e é comumente apontado na literatura para o tratamento de efluentes industriais orgânicos de baixa (Rajesh et al., 1999) e alta cargas (Yamaguchi et al., 1999) e para o tratamento de esgotos domésticos (Chernicharo, 2006). Segundo von Sperling e Chernicharo (2005), apud

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Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG 18 Chernicharo et al. (2015), no caso de esgotos domésticos típicos a concentração de matéria orgânica é baixa, geralmente inferior a 1.000 mg DQO.L-1_{, portanto a carga orgânica} volumétrica aplicada é muito baixa, na maioria das vezes variando de 2,0 a 3,5 kg DQO.m-3_.-d_. Desde que a utilização de alta taxa de carga orgânica volumétrica possa resultar em excessiva carga hidráulica e, consequentemente, em altas velocidades ascensionais, o reator é normalmente projetado com base na carga hidráulica volumétrica, e não a partir da carga orgânica.

Outro aspecto do reator UASB diz respeito ao separador trifásico. Este pode ser considerado o principal mecanismo que o diferencia das demais tecnologias anaeróbias. A coifa, ou separador trifásico, opera na região da base do decantador do reator UASB e funciona como mecanismo de separação da fase gasosa (biogás formado a partir da digestão anaeróbia), da fase líquida (com os compostos remanescentes do tratamento) e da fase sólida (ou lodo formado na zona de digestão do reator).

A principal vantagem da tecnologia de reatores UASB é a baixa ou nula demanda por energia, o que reduz até dez vezes o custo operacional, se comparado com o dos reatores de lodos ativados (CHERNICHARO et al., 2015).

2.1.2 Formação de metano e sulfeto em reatores anaeróbios e seus desdobramentos

Na etapa final de decomposição da matéria orgânica, o metano é produzido a partir da redução de compostos como CO2 (aceptor final de elétrons), o que é feito pelos microrganis-mos metanogênicos, englobados dentro do domínio Archaea. A metanogênese pode ser considerada uma forma de respiração anaeróbia. As arqueas metanogênicas desempenham importante papel na digestão anaeróbia, pois consomem produtos intermediários gerados nas etapas anteriores, como o hidrogênio e o acetato, evitando assim a inibição termodinâmica das reações químicas e o possível azedamento do reato anaeróbio (CHERNICHARO, 2007). Para propósitos de engenharia, as metanogênicas são classificadas em dois grandes grupos: metanogênicas acetoclásticas (equação 2.1) e metanogênicas hidrogenotróficas (equação 2.2). As reações mais importantes e suas correspondentes energias livres estão apresentadas a seguir (von LIER et al., 2008):

CH3-COO- + H2O  CH4 + HCO3-- (Equação 2.1) ∆Go'_{= -31 kJ/mol}

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CO2 + 4H2  CH4 + 2 H2O - (Equação 2.2) ∆Go'_{= -131 kJ/mol}

Já a sulfetogênese é um processo no qual o sulfato e outros compostos à base de enxofre são utilizados como aceptores de elétrons, durante a oxidação de compostos orgânicos. Nesse pro-cesso, o sulfato, o sulfito e outros compostos sulfurados são reduzidos a sulfeto, por meio da ação de um grupo de bactérias anaeróbias estritas denominadas bactérias redutoras de sulfato (CHERNICHARO, 2007). Segundo Widdel e Hansen (1992), apud von LIER et al. (2008), a redução de sulfato, de sulfito e de tiossulfato é muito comum entre as BRS, de acordo com as seguintes equações:

H2 + 0,25 SO42- + 0,25 H+ 0,25 HS- + H2O (Equação 2.3) ∆Go'_{= - 9,5 kJ/mol substrato}

CH3COO- + SO42- + H2O HS- + 2 HCO3- (Equação 2.4) ∆Go'_{= - 48 kJ/mol substrato}

Além dos substratos diretos da metanogênese, como hidrogênio molecular (H2), formiato, acetato, metanol e piruvato, as BRS também podem utilizar propionato, butirato, lactato, etanol e compostos aromáticos (COLLERAN et al., 1995, apud von LIER et al., 2008). Portanto, os principais produtos intermediários do processo de degradação anaeróbia (hidro-gênio e acetato) podem ser convertidos tanto pelas BRS quanto pelas metanogênicas. Pelo fato de esses grupos de bactérias operarem sobre as mesmas condições ambientais (tempera-tura, pH), elas irão competir pelo mesmo substrato (von LIER et al., 2008).

Hulshoffpol et al. (1998) salientam que, em sistemas de tratamento anaeróbio, há vantagens e desvantagens na formação de H2S, de acordo com a Tabela 2-1.

Tabela 2-1: Efeitos da formação de sulfetos em reatores anaeróbios.

Desvantagens Vantagens

- Eficiência de remoção de DQO reduzida devido à

presença de H2S no efluente

- Corrosão

- Acumulação de material inerte no lodo (exemplo: sulfetos metálicos)

- Menor formação de metano

- Piora da qualidade do biogás, com consequente

necessidade de remoção de H2S do biogás

- Maus odores - Potencial toxicidade

- Remoção de compostos oxidados de enxofre (exem-plo: sulfato, tiossulfato e sulfito) do esgoto bruto - Remoção de metais pesados

- Precipitação de sulfetos metálicos (exemplo: FeS) como bons precursores para granulação

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Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG 20 - Deterioração dos sistemas de pós-tratamento

(exemplo: bulking em lodos ativados: crescimento excessivo dos fototróficos)

Fonte: Hulshoffpol et al. (1998).

Os resultados da pesquisa citada, em que reatores UASB foram utilizados para tratar esgotos domésticos, indicaram que a eficiência de conversão da DQO aplicada em CH4 foi próximo de 55%, enquanto a conversão de sulfato (SO42-) em sulfeto foi cerca de 80%, no entanto a relação DQO/SO42- elevada (da ordem de 10) favoreceu o caráter eminentemente metanogênico dos reatores UASB. Por isso, na zona de digestão dos reatores UASB tratando esgoto doméstico a formação de metano superou em muito a de sulfeto (SOUZA, 2010). Apesar desse caráter metanogênico do reator UASB, a rota sulfetogênica não é ignorada, pois mesmo em baixas concentrações de sulfeto de hidrogênio a eficiência de conversão de sulfato a sulfeto é extremamente elevada, havendo limitação quanto à quantidade de sulfato disponível como aceptor de elétrons. Conclui-se, então, que as duas rotas metabólicas se estabeleceram com sucesso no reator. Desta forma, podem se desenvolver os problemas já citados, como corrosão, maus odores e toxicidade.

Sabe-se que a energia gasta em um sistema de tratamento de esgotos usualmente empregado, como o sistema de lodos ativados, é de 0,6 kwh.m-3 _{(McCARTY et al., 2011). Nos sistemas} aeróbios, há também a possibilidade de geração de energia por meio dos digestores anaeróbios do lodo produzido nos tanques de aeração (geração de CH4), o que pode amenizar o consumo de energia. Entretanto, se a energia potencial do esgoto fosse capturada mais eficientemente e se menor gasto de energia fosse dispendido, a estação de tratamento poderia ser produtora de energia, em vez de ser consumidora (McCARTY et al., 2011). Noyola et al. (2012) ressaltam que para esgotos domésticos com baixa concentração de matéria orgânica a utilização do biogás gerado no tratamento anaeróbio é pouco viável para produzir energia, a menos que se trate uma vazão superior a 500 L.s-1_.

2.1.3 Problemas e limitações

Ao considerar as limitações intrínsecas associadas aos sistemas anaeróbios, Chernicharo et al. (2015) relataram que, no caso de padrões de lançamento de efluentes rigorosos, torna-se imperativo incluir o estágio de pós-tratamento para os efluentes de reatores anaeróbios. Ademais, a necessidade do desenvolvimento de tecnologias de pós-tratamento mais apropriadas para esse fim, em relação à realidade de países em desenvolvimento, ainda é uma

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Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG 21 preocupação. Ainda a este respeito, constata-se a possibilidade da configuração de uso da tecnologia de reatores UASB com pós-tratamento (Figura 2-1).

Figura 2-1: Configuração geral de uma estação de tratamento de esgotos utilizando reatores UASB.

Fonte: van Lier et al. (2010), apud Chernicharo et al. (2015).

Arceivala (2000), apud Khan et al. (2011), constatou que efluentes de reatores anaeróbios são ricos em compostos como sulfetos, que são facilmente oxidados a partir da exposição ao ambiente, causando, assim, uma imediata demanda por oxigênio em corpos-d’água.

As vantagens e as desvantagens do tratamento anaeróbio de esgotos, em comparação com a utilização da tecnologia do processo de lodos ativados, estão listadas na Tabela-2-2.

Tabela-2-2: Vantagens e desvantagens da utilização dos sistemas de tratamento anaeróbio de alta

taxa em relação a processos aeróbios.

Vantagens Desvantagens

- Substancial economia de custos operacionais (che-gando a 90%), uma vez que nenhuma energia é exigida para aeração.

- Potencial reduções de custos de investimento, consi-derando que a decantação primária, o biorreator, a decantação secundária e o digestor de lodo são combinados em um único tanque: o reator UASB. No entanto, o pós-tratamento para o reator UASB tem de ser empregado para alcançar requisitos de qualidade para lançamento de efluentes.

- O metano produzido (CH4) é de interesse do ponto

de vista da recuperação de energia ou para produção de eletricidade.

- Não fazem uso de equipamentos de alta tecnologia. O sistema de tratamento é menos dependente de tecnologias importadas.

- O processo é robusto e pode lidar com altas taxas de

- A eficiência da remoção de matéria orgânica é menor do que nos processos de lodos ativados, necessitando, na maioria dos casos, de pós-tratamento adequado para satisfazer os critérios de lançamento ou reutiliza-ção.

- O CH4 produzido permanece parcialmente dissolvido

no efluente (dependendo da concentração afluente de DQO e da carga hidráulica aplicada). Até o momento não há medidas aplicáveis nas plantas em escala real

para evitar o escape de CH4 para a atmosfera.

- O CH4 coletado muitas vezes não é utilizado para

geração de energia e, em alguns casos, nem mesmo é queimado (contribuição para as emissões de gases de efeito de estufa).

- Existe pouca experiência da aplicação em escala real, quando operados com moderada a baixas temperaturas.

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dissolvi-Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG 22 carga hidráulica e orgânicas, periódicas.

- O sistema é compacto com TDHs de 6-9 h, e é, portanto, adequado para aplicações em áreas urba-nas, minimizando os custos de transporte.

- Aplicações em pequena escala permitem o tratamen-to descentralizado, fazendo com que o tratamentratamen-to de esgotos seja menos dependente da extensas de redes de coleta.

- A produção de lodo é baixa, bem estabilizada e facil-mente desidratada, consequentefacil-mente não requer pós-tratamento extensivo.

- Os nutrientes (N e P) são conservados, o que confere às águas residuais tratadas um elevado potencial para a fertirrigação de culturas.

dos no efluente, podendo escapar para atmosfera, cau-sando problemas de odor.

- Altas concentrações de sulfato afluente podem limitar a aplicabilidade do tratamento de esgoto, que resulta na conversão da relação DBO/DQO orgânica para DBO/DQO inorgânica, o que significa que a matéria orgânica é degradada, enquanto o sulfato é reduzido a compostos odorantes e corrosivos como os sulfetos.

Fonte: adaptada de von Lier et al. (2008).

De acordo com a experiência brasileira (CHERNICHARO; STUETZ, 2008), as possíveis melhorias relacionadas a projeto, construção e operação de reatores UASB aplicados ao tratamento de esgoto doméstico podem ser agrupadas de acordo com as limitações mostradas na Figura 2-2.

Figura 2-2: Tópicos de interesse para possíveis melhorias em ETEs que empregam reatores UASB.

Fonte: Chernicharo et al. (2010).

Ainda conforme a Figura 2-2, os principais problemas e limitações nos reatores UASB são: (i) o reator em si, com problemas operacionais devido ao acúmulo de escuma (material flutuan-tes, óleos e graxas), ou seja, parte do material não é degradada no reator anaeróbio; a corrosão, devido à presença de compostos reativos aos materiais de constituição do reator, como concreto e aço; e o sistema de alimentação, como a correta distribuição do afluente ao tentar minimizar problemas relacionados ao curto-circuito hidráulico; (ii) o pré-tratamento e a estação elevatória, com problemas como emissão de compostos odorantes; variação de vazão

(29)

Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG 23 devido à conhecida dinâmica de utilização da água nas residências; passagem de detritos, com problemas como acúmulo de material inerte, areia, na parte inferior do corpo do reator; e ainda, dificuldades como obstrução nas bombas; (iii) o biogás e o gás residual gerados, com problemas de emissão de compostos odorantes, via sulfetogênica no reator; emissão de metano, via metanogênica; possibilidade de recuperação de energia - metano e possibilidade de corrosão das tubulações; (iv) o próprio efluente líquido, devido ao carbono residual não convertido no sistema anaeróbio; nutrientes formados durante o tratamento; micro-organismos patogênicos não eliminados; surfactantes não degradados pelos microrganismos anaeróbios; emissões odorantes devido aos gases dissolvidos e emissão de gases de efeito estufa (metano); e (v) o lodo, com possibilidades de recuperação de nutrientes (aplicação ao solo); higieniza-ção (microrganismos patogênicos); presença de areia e detritos; e a necessidade de equipa-mentos mecânicos ou leitos de secagem para desidratação (CHERNICHARO et al., 2010). Do ponto de vista mais prático, os gestores e os operadores de ETEs precisam ter atenção ao utilizar a tecnologia anaeróbia, pois o fato de operar reatores UASB com sobrecarga hidráulica, por aumentar a carga orgânica volumétrica, pode favorecer o acúmulo de ácidos graxos voláteis (AGV) no reator. Nessas circunstâncias, pode ocorrer aumento da via sulfetogênica no reator, uma vez que as bactérias redutoras de sulfato (BRS) são versáteis e conseguem utilizar AGV como substrato e reduzir sulfato a sulfeto de hidrogênio, podendo aumentar, consequentemente, o caráter ácido do efluente de reatores UASB. Segundo Lopes et al. (2010), a eficiência na redução de sulfato foi acima de 95% e a completa acidificação foi obtida em um reator UASB termofílico acidificado, com pH 5 e stripping com N2. Em reatores UASB convencionais mal operados, esse processo de acidificação pode desencadear problemas crônicos, já destacados, de odor e corrosão.

A partir do enfoque no presente trabalho, cabe destacar as emissões de gases de efeito estufa e de gases odorantes. Os compostos de enxofre desempenham papel fundamental na problema-tica de emissão odorante nas estações de tratamento de esgotos, quando as emissões são estudadas a partir da fase líquida. Notadamente, o sulfeto de hidrogênio é o gás de destaque nessas condições, pois apresenta os menores níveis de detecção pelo sistema olfativo humano (5 ppbv). Compostos como amônia, ácidos graxos voláteis (AGV), aldeídos e cetonas são uma preocupação de menor relevância nas unidades de tratamento da fase líquida (WEF, 2004). Nas unidades de tratamento da fase sólida, o sulfeto de hidrogênio não se destaca, no entanto outros compostos tornam-se relevantes em relação aos problemas de odores (CHERNICHARO et al., 2010).

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2.1.4 Emissões gasosas: metano e sulfeto de hidrogênio e suas características

O metano, apesar da sua baixa solubilidade em água, se comparado ao sulfeto de hidrogênio, encontra-se frequentemente dissolvido em nível supersaturado, podendo escapar juntamente com o efluente do reator UASB. Nesse sentido, Matsuura et al. (2015) salientam que a quantidade de metano dissolvido no efluente depende da pressão parcial de metano no biogás, da temperatura, conferindo a característica de supersaturação. Os autores ressaltam ainda que a recuperação de metano dissolvido não vem sendo discutida detalhadamente. Por outro lado, há estudos de caso relativos ao lançamento de efluentes com possibilidade de emissões odorantes, tal como em Pagliuso et al. (2002). Esse estudo salientou que o H2S foi medido logo após a saída de efluente de um reator UASB, quando de uma queda de 6 m de altura. No estudo esse ponto foi escolhido devido à forte evidência de que os odores não vêm da superfície do reator, mas da agitação promovida pela queda do efluente. De fato, devido à sua alta solubilidade em água (3,2 g/L como S2-_{a 25º C), o H}

2S tende a permanecer na solução quando o afluente sai do reator, sendo separado somente quando há aumento da turbulência ou abaixamento do pH. Dentro da caixa de passagem, onde o efluente era lançado, os valores obtidos foram todos maiores que 500 ppm, devido à agitação promovida pelo processo de encachoeiramento.

Além dos problemas de odor e corrosão citados, existe ainda o problema de sua toxicidade. Segundo MSDS (1996), após a inalação, o sulfeto de hidrogênio reage com enzimas na cor-rente sanguínea e inibe a respiração celular, resultando em paralisia pulmonar, súbito colapso e morte. A exposição contínua a baixas concentrações (15-50 ppm) podem causar irritação nas membranas mucosas e também dores de cabeça, tonturas e náuseas. As concentrações mais elevadas (200 a 300 ppm) podem resultar em parada respiratória, levando ao coma e à inconsciência. Exposições por mais de 30 minutos, em concentrações superiores a 700 ppm, podem ser fatais.

Mais da metade do metano produzido em reatores anaeróbios permanece dissolvido no efluente e pode vir a ser emitido para o ambiente (NOYOLA et al., 2006; SOUZA et al., 2012). Entretanto, em sistemas de tratamento anaeróbio em que o mecanismo de decantação é utilizado como parte da retenção da biomassa no sistema, como o reator UASB, a falta de mistura nessa região e a velocidade ascensional baixa fazem com que a taxa de emissão de gases, relacionada ao headspace do reator, seja limitada (SOUZA et al., 2011), isto é, em ETEs que utilizam a tecnologia anaeróbia (UASB), a possibilidade da ocorrência de

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Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG 25 lançamento de metano e sulfeto de hidrogênio para a atmosfera é grande, basicamente, no efluente final, já tratado.

Em termos comparativos, Yun et al. (2015) relataram que na China as emissões de metano a partir do tratamento de esgotos domésticos foi de 0,611 Mt, enquanto a emissão de metano a partir do tratamento de efluentes industriais foi de 1,62 Mt, em 2010. Os autores ressaltaram ainda que as emissões de metano aumentaram gradualmente de 2005 a 2010.

2.1.5 Controle de emissões de H2S e CH4 em ETEs

Algumas técnicas podem ser utilizadas para o controle da emissão de sulfeto de hidrogênio em sistemas de esgotamento sanitário. Segundo Zhang et al. (2007), há basicamente quatro mecanismos para o controle das emissões de H2S: (i) aumento do potencial redox para o con-trole da formação de sulfetos (por meio da injeção de ar ou oxigênio ou adição de nitrato); (ii) inibição da atividade das BRS (por meio da elevação do pH ou adição de biocidas); (iii) remo-ção química de sulfetos (por meio da precipitaremo-ção por sais metálicos, como o cloreto férrico ou sulfato férrico, ou da adição de oxidantes químicos, como o peróxido de hidrogênio, cloro ou permanganato de potássio); e (iv) oxidação biológica dos sulfetos. Já as emissões odorantes, em si, podem estar relacionadas à fase gasosa (biogás e gases residuais) e à fase líquida, afluente e efluente (CHERNICHARO et al., 2010). Dessa forma, diferentes estratégias podem ser utilizadas para controlar essas emissões, dependendo das suas fontes, conforme a sistematização apresentada na Tabela 2-3; a Figura 2-3 complementa a tabela com um esquema das principais técnicas utilizadas.

De acordo com a Tabela 2-3, o efluente anaeróbio pode ser encaminhado como meio de trata-mento da fase líquida apenas, praticamente sem geração de efluentes gasosos, no caso do uso de pós-tratamento aeróbio na sequência dos reatores anaeróbios, como o uso de lodos ativados, biofiltros aerados submersos, biodiscos e lagoas facultativas e aeróbias, quando os gases do efluente anaeróbico permanecem dissolvidos, ao adentrarem no pós-tratamento. Em estudo realizado por Machado et al. (2016), por meio de diagnóstico inicial de levantamento de dados na estação constituída de reator UASB com pós-tratamento de lodos ativados e decantador secundário, constatou-se que, inicialmente, a concentração de sólidos/biomassa no tanque de aeração e no lodo de recirculação estava muito baixa, em torno de 100 mg.L-1_{. von} Sperling (2002) recomenda valores próximos de 2.000 mg.L-1_{de sólidos totais no tanque de} aeração e de 4.500 mg.L-1_{no lodo recirculado. Visando melhorar o desempenho global da} estação, foram sugeridas modificações na rotina de descarte e recirculação de lodo no sistema

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Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG 26 de lodos ativados, com intenção de acumular biomassa dentro do tanque de aeração. Após as modificações no gerenciamento do lodo, foram realizadas novas análises de sólidos para avaliar o crescimento da biomassa do tanque de aeração, ficando essa, portanto, com valores em torno de 6.000 mg.L-1_{. Percebeu-se ainda que as concentrações de sulfetos dissolvidos no} tanque de aeração passaram de 1,6 mg/L (antes da intervenção) para não detectado. Além disso, as concentrações de H2S na atmosfera imediatamente acima da superfície líquida do tanque de lodos ativados passaram de 4,2 ppm, antes das intervenções, para praticamente 0 ppm, após as intervenções. Portanto, esse estudo exemplifica e salienta a possibilidade de melhorias no controle de odor ao utilizar um pós-tratamento aeróbio eficiente, tratando efluentes de reatores anaeróbios. Ao passo que, o stripping bem realizado em tanques de aeração de lodos ativados remove CO2 dissolvido da massa líquida, podendo evitar queda de pH por meio da remoção de acidez carbônica, resultando em remoção de energia em forma de calor (GALLERT E WINTER, 2005). Este efeito de ar de arraste otimizado (aeração), além de favorecer o equilíbrio do reator de Lodos Ativados, ainda previne a formação de zonas anaeróbias e pode ainda favorecer a própria oxidação dos sulfetos remanescentes do efluente do reator UASB.

Tabela 2-3: Principais alternativas para o controle do H2S em ETEs

Fonte da

Emissão Tratamento Tipo de Principais Possibilidades Principais Métodos

Esgoto afluente Tratamento da fase gasosa Tratamento da fase líquida

- Tratamento dos compostos odorantes

- Utilização de medidas para controlar os compostos odorantes antes que sejam emitidos

- Biofiltros ou outros métodos de

tratamento de H2S

- Adicionar ar ou oxigênio a montante da estação

- Adição de produtos químicos para interromper a produção de sulfeto ou para reagir com o sulfeto na massa líquida

Biogás

Tratamento da fase gasosa

- Oxidação térmica dos compostos odorantes juntamente com o metano

- Tratamento seletivo do H2S e

recuperação do metano para fins energéticos

- Combustão direta ou outros métodos de oxidação térmica e catalítica - Métodos físicos, químicos e bioquímicos de tratamento Gases residuais de reatores anaeróbios Tratamento da fase gasosa

- Exaustão, coleta e tratamento

do H2S

tratamento de H2S Efluente anaeróbio Tratamento da fase líquida - Pós-tratamento aeróbio do efluente anaeróbio - Remoção em estrutura de

queda, seguido de coleta e

tratamento do H2S

- Lodos ativados, biofiltros aerados submersos, biodiscos, lagoas facultativas e aeróbias, inclusive lagoas de polimento e de maturação

tratamento de H2S

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Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG 27 Em sistemas anaeróbios, a completa supressão da redução de sulfatos e a completa conversão de substrato orgânico a metano podem ser consideradas o cenário mais favorável (HULSHOFFPOL et al., 1998), inclusive se a produção de energia e a sustentabilidade forem levadas em consideração. Entretanto, ainda não foi encontrado um inibidor da sulfato redução (BRS) que pudesse ser usado e ter efeito contundente em reatores anaeróbios operados em escala plena. Desta forma entende-se que, na prática, a sulfato redução não pode ser evitada completamente (HULSHOFFPOL et al., 1998). Neste sentido, o estudo de unidades simplificadas de remoção de gases dissolvidos, como pós-tratamento de efluentes anaeróbios, torna-se interessante.

Figura 2-3: Tecnologias para oxidação química e biológica para controle da emissão de H2S.

Fonte: Zhang et al. (2007).

Ainda em relação ao pós-tratamento, quando da utilização de estruturas para remoção de H2S, como torres (que serão descritas na sequência), a geração de efluentes gasosos, denominados gases residuais, é esperada. Esses gases também devem ser encaminhados para tratamento adequado, muitas das vezes utilizando-se biofiltros.

Em sistemas de tratamento de esgotos, o processo de difusão simples pode não contribuir significativamente para os processos de transferência de massa entre fases. Porém, sabe-se que outros mecanismos, como a difusão turbulenta, por exemplo, em desníveis hidráulicos,